大规模风电接入对系统频率特性的影响分析

任杰，陈得治，宋云亭，汪宁渤，田建设

(1.华北电力大学(保定)，河北保定071003；2.中国电力科学研究院，北京100192；3.甘肃省电力公司风电技术中心，甘肃兰州730050)

大规模风电接入对系统频率特性的影响分析

任杰1，陈得治2，宋云亭2，汪宁渤3，田建设1

(1.华北电力大学(保定)，河北保定071003；2.中国电力科学研究院，北京100192；3.甘肃省电力公司风电技术中心，甘肃兰州730050)

随着我国风电的快速发展，由于风速的波动性和不可预见性而引发问题也越来越严重，如短时间内风电功率波动过大、大规模风机脱网等。若电网中其他发电机组不能对此迅速做出响应时，则有可能造成系统频率偏差，严重时甚至威胁系统的频率稳定。对风速特性进行了分析，选取了两种典型风速扰动来模拟对系统频率的影响；并对风电大规模脱网对系统频率的冲击进行了仿真模拟，提出了降低频率波动的优化措施。

风电并网；风速波动；一次调频；大规模脱网；优化措施

清洁能源的大规模开发和利用，是保障我国能源安全、优化一次能源结构、发展低碳经济的重要举措，其中新能源发电尤其是风力发电已经成为发展最快、技术最成熟、商业化前景最好的清洁能源开发方式[1－3]。我国西北部地区风能资源丰富，是规划中的千万千瓦级风电基地。随着我国风电规模的不断扩大，大规模风电并网对系统频率的影响问题也越来越突出。

由于风速具有波动性和不可预见性，若风电功率波动较大或者风电场因故整体退出运行，可能会导致系统有功出力和负荷之间的动态不平衡，当电网其他发电机组不能够对此做出快速反应时，则有可能造成系统频率偏差，严重时甚至导致系统频率越限，进而危及电网安全运行[4]。频率作为电能质量的重要指标，即使是很小的偏差，也会造成用电设备工作异常、出力降低等情况，严重时甚至发生发电机组跳脱、系统频率崩溃等事故。因此，研究大规模风电接入下对系统频率特性的影响，并据此提出减小频率波动变化的措施是至关重要的。

本文研究内容包括以下两个方面：针对风电出力波动性的特点，分别附加渐进风和阵风两种扰动，利用BPA仿真平台，对扰动后系统频率的变化进行仿真分析；结合风电易脱网的特点，对大规模风电脱网情况下的电网频率进行仿真模拟，并提出了相应的优化措施。

1 风速特性分析

风力发电机组正常运行时，通常是处于一定的功率水平，可认为有一基本风速与之对应。若考虑风速的随机扰动，则作用于风力发电机组轮毂高度处的风速可表示为：

式中：vwn表示风速的随机小扰动量。

为了反映风速的突然变化特性和渐变特性，可分别在式(1)基础上叠加一阵风分量vwg和一渐变风分量vwr，而总的风速为上述几种风速，即随机风、阵风、渐进风和基本风速的叠加，有：

研究表明，在一个分钟级别的时间框架内，风场的机械功率输出可以分解为四个主要分量的和：基本分量、随机分量、渐变分量以及阵风分量，分别对应总风速中的基本风速、随机风速、渐变风速和阵风风速。由于随机风速分量是无法预测的，且其相对于渐进风和阵风来说，对于整个风电场的影响非常小，可以忽略不计。下面针对阵风和渐进风扰动，分别模拟其对系统频率的影响。

2 风速波动性对系统频率的影响

基础方式的边界条件：研究方式下的某电网负荷为64 918.7MW，发电出力为72 698.7 MW(包括直流外送的等效负荷7 780MW)，风电总装机容量为5 370.5 MW，总出力3 511.0MW，常规机组备用总容量为3 134.2MW，备用系数约为4.98%。

2.1 风速波动性模拟

2.1.1 阵风模拟

阵风是比较典型的突变风速，模拟由于阵风扰动引起的风电场出力波动，能够很好地反映短期内风速的波动性。采取一种理想状态下的阵风模拟：初始风速为4m/s，阵风启动时刻为1 s，作用时间是25 s，最大值为11m/s，以电网中某200 MW风电场中单台风电机组为例，来模拟阵风过后单台风电机组出力。

在1 s时刻施加阵风扰动，对应的风速初始值为4m/s，由于还未达到风机的切入风速，此时机组出力接近于0MW；在渐增的风速作用下，16 s时风电机组达到了最大出力1.38 MW，随后在逐渐减弱的风速作用下机组出力也不断减小，在近26 s时，阵风作用时间结束，风电机组出力也几乎减小为0 MW。由于风速在短时间内的快速波动，必将会给电网的频率带来一定的冲击。

假设风电基地所有风场均受到相同时刻、相同大小的阵风影响，以基础方式为例，分析阵风作用下，风电基地出力波动给电网频率带来的影响，此时系统频率变化情况如图1所示。

图1 阵风作用下系统频率变化

如图1所示，系统初始频率为50 Hz，阵风作用下，在1～16 s时间内风电出力逐渐增大至最大值，随着风电出力的增加，系统频率也随之升高至50.22Hz。在16 s后，由于阵风风速逐渐减弱，风电出力逐步减小，系统频率也回落，在26 s左右跌至最低点49.90Hz。

选取电网中两个参与一次调频的典型发电机组，模拟由于受到阵风影响，系统频率出现变化的情况下，机组电磁功率的输出。其中G1为火电机组，G2为水电机组。两个机组出力和备用容量分别如表1所示。

不同机组电磁功率输出变化情况如图2所示。

由图2可知，在阵风导致的风电出力增大时，由于自身调速器的作用，网内部分机组会降低出力，来平抑频率的波动。综合图3、图4可知，风电基地出力在短时间内的大幅变化会给系统频率带来一定程度的波动，但由于电网中发电机组调速器的作用，部分常规机组调节出力，使得频率偏差稳定在一定范围内，频率质量及安全尚能保证。

图2 阵风作用下不同机组出力

图3 渐进风作用下系统频率变化

图4 渐进风作用下不同机组出力

2.1.2 渐进风模拟

渐进风也是比较典型的风速，模拟渐进风扰动造成的风电机组出力变化，也可较好地反映风电的波动特性。采取以下数据来模拟渐进风：初始风速为11.4m/s，渐进风扰动启动时刻为1 s，终止时刻为15 s，保持时间是8 s，降低最大值是7.5 m/s。模拟风电出力由最大值短时间内下降的情形。在渐进风的作用下，单台风电机组初始值为其最大出力1.5MW，在1 s时刻附加渐进风扰动后，风速逐渐减弱，15 s后降至0MW，并持续8 s左右。

以基础方式为例，假设风电基地所有风场均受到相同时刻、相同大小的渐进风影响，模拟此时系统频率变化情况，如图3所示。

如图3所示，在渐进风作用下，随着风速下降，风电场出力逐渐降低；在风速达到最小时，系统频率跌至最低值49.22 Hz，接近临界失稳值，若此时有更多的风电场在渐进风的作用下出力降至零，将有可能出现频率失稳的现象。

选取四个典型机组，模拟在受到渐进风影响、系统频率变化的情况下，不同机组的电磁功率输出，其中G1、G2、G4为火电机组，G3为水电机组，机组出力和备用如表2所示。

如图4所示，随着渐进风扰动使得风电出力降低时，网内留有备用的机组会调出备用来满足功率平衡，抑制频率的下降，而对于不同机组，留有备用容量大的机组调出出力较多，对抑制频率下降的作用也较大。

2.2 风电机组大规模脱网模拟

仍然选用上述电网数据，备用容量约为4.98%，风电总出力为3 511.0MW。对风电大规模脱网进行模拟，当脱网风电容量分别为2 300、3 300、3 500MW(全部脱网时)，系统频率变化分别如图5所示。

图5 风电脱网2 300、3 300MW、全部脱网情况下系统频率变化曲线

由图5可知，当脱网风电容量达到约3 300MW时，由于功率缺额，系统频率偏差达到近1 Hz，接近低频减载动作阈值49Hz。当风机全部脱网时，系统最低频率降到49 Hz以下，触动低频减载装置动作，切除系统中负荷3 100MW，使得系统有功功率重新趋于平衡，系统频率迅速回升到正常水平。

为了正确反映风电大规模脱网对系统频率的影响，不应触动低频减载装置动作，即频率变化最大值不能超过低频减载动作阈值1 Hz。因此，模拟风电脱网3 300MW，选取如表2中所示的四台机组，其电磁功率输出情况如图6所示。

图6 风机脱网3 300MW下不同机组出力

由图6可知，由于风功率波动较大，留有备用的机组在短时间内会将备用容量调出，来平抑风电脱网造成的功率缺额及频率波动，部分机组出力达到最大功率，如G3机组达到最大功率360MW，火电机组G1、水电机组G2也均接近其最大功率300MW；满发机组由于没有备用容量可供调出，如G4机组，经过短暂的振荡后机组功率输出仍维持原值不变。

3 一次调频特性的优化

电网频率的动态过程与其一次调频能力直接相关，影响一次调频能力的因素主要有备用容量比例、备用容量分布、调速器调差系数、死区等等，下面分别对以上参数进行灵敏度分析，模拟各个参数调整后系统频率变化情况。

(1)备用容量增大，分布位置不变

备用分布的位置不变，只是将原各台机组的备用增大，当备用由3 134.2MW增大到4 602.2MW，备用率由4.98%增大到7.14%，当风电脱网3 300MW时，系统频率变化如图7所示。

图7 风机脱网3 300 MW，不同备用容量下系统频率变化曲线

由图7可知，备用率为4.98%下的系统频率最低点为49.03 Hz，稳定在49.24 Hz；而备用率为7.14%下的系统频率最低点为49.26Hz，稳定在49.43Hz。由此可见，增加调频备用容量对改善系统频率稳定性有一定的作用。

(2)备用容量不变，留有备用的机组台数增多

备用仍为4.98%，但备用机组台数增多，当风电脱网3 300 MW时，系统频率变化如图8所示。

图8 风机脱网3 300 MW，不同备用机组下系统频率变化曲线

若备用分布在更多台机组中，当面临同样的风电功率缺额时，则有更多机组能同时调出备用出力来响应系统频率的波动。由图8可知，当风电脱网3 300MW后，调整备用分布后的系统频率最低点为49.12 Hz，稳定值为49.30 Hz；而调整备用分布前系统频率最低点为49.03Hz，稳定值为49.24Hz，说明将备用分布在更多台机组中，有利于频率稳定。

(3)调频机组的调速器调差系数调整

各台发电机组调速器的调差系数对系统的频率变化过程有重要作用，它直接影响当发电机在转速发生变化时，其有功调节的能力[5－6]。静态调差系数s决定了发电机稳态转速与负荷出力的关系，而对于整个电网来说，当系统中并联运行的各机组的调差系数越小时，系统一次调频能力越强。将参与系统一次调频的原火电、水电机组的调差系数5%、4%分别调整为4%、3%，备用容量大小及分布保持不变。仿真分析风电脱网3 300MW后的系统频率变化，如图9所示。

图9 风机脱网3 300MW，不同调差系数下系统频率变化曲线

由图9可知，当风电脱网3 300MW，调差系数小的系统频率最低点为49.08 Hz，较调整前系统频率最低点49.03 Hz要高；同时，在系统跌至最低点并恢复至稳态频率的动态过程中，调差系数较小的系统频率恢复更快，同时恢复后的稳态频率大小也更接近于正常值。因此降低调差系数更有利于频率稳定。

(4)调频机组调速器的死区调整

调速器的死区通常用来衡量调速系统对频率偏差信号的迟缓程度。一般来说，在一定范围内，死区值越小机组一次调频性能越好。将参与一次调频机组的调速器死区由原来的0.004调整为0.002，备用容量大小及分布保持不变。仿真分析风电脱网3 300MW后的系统频率变化，如图10所示。

图10 风机脱网3 300 MW，不同调速器死区下系统频率变化曲线

当风电脱网3 300MW，由图10可知，死区调整后频率较之前有所提高，更有利于风电脱网后系统频率的恢复。

4 结论与展望

本文研究了一次调频对于风电出力波动性及大规模脱网的适应性分析。针对风电出力波动性的特点，在短时间内分别附加阵风和渐进风两种风速扰动的场景下，得到了不同扰动下系统频率的变化特性；考虑风电易脱网的特性，模拟了风电机组大规模脱网后系统频率的变化，并对影响电网一次调频的因素进行了灵敏度分析，提出了增强系统频率稳定性的措施。

[1]屠强，衣立东，尚勇，等.电网区域化综合测风系统在风电开发中的应用研究[J].电网与水力发电进展，2008，1：3-7.

[2]邢文琦，晁勤.含不同风电机组的风电电网仿真研究[J].电网技术，2009，7：99-102，114.

[3]叶杭冶.风力发电机组的控制技术[M]．北京：机械工业出版社，2002.

[4]计崔.大型风力发电场并网接入运行问题综述[J].华东电力，2008，10：71-73.

[5]倪琳娜，罗吉，王少荣.含风电电力系统的频率控制[J].电工技术学报，2011，S1：235-241.

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Influence of large-scalew ind power integration on system frequency

REN Jie1，CHEN De-zhi2，SONGYun-ting2，WANGNing-bo3，TIAN Jian-she1
(1.North China Electric PowerUniversity，Baoding Hebei071003，China;2.China Electric PowerResearch Institute，Beijing 100192，China; 3.Wind Power Technology CenterofGansu Electric PowerCompany，Lanzhou Gansu 730050，China)

As the rapid development ofw ind power，the problem s ofw ind speed volatility and unpredictability have been more and more serious，such as fierce w ind power fluctuation in short times，large-scale w ind turbines off the grid and so on.When other generators of the grid cannot response to the change，there w ill be some system frequency deviation，and itmay threaten the frequency stability.The w ind speed was analyzed，two kinds ofw ind disturbance were chosen to simulate the influence on system frequency，and the im pactof large-scale w ind power off the grid on the system frequency was simulated.Some optim izationmeasures were proposed.

w ind power integration;volatility;primary frequency regulation;large-scale off grid;optim ization measures

TM 614

A

1002-087 X(2016)07-1491-04

2015-12-05

国家电网公司科技项目(XT71-12-009)

任杰(1990—)，男，山东省人，硕士生，主要研究方向为电力系统安全稳定及新能源并网。